Uwe Neibig, DL4AAE OV-Abend P51 09.03Delta-Loop-Antennen – neu optimiert für DX. Uwe Neibig,...

Delta-Loop-Antennen – neu optimiert für DX

Uwe Neibig, DL4AAE

OV-Abend P51

09.03.2012

Inhalt

DL4AAE, März 2012 2Delta-Loop-Antennen

1. Grundlagen

2. Bekannte Konzepte

3. Ziele

4. Entwurf

5. Aufbau

6. Betriebserfahrungen

7. Entwurf für andere Bänder

8. Zusammenfassung

9. Literatur

Grundlagen


Delta-Loops sind…•Schleifenantennen,•vom Umfang etwa einer Wellenlänge,•mit der Spitze unten oder oben.•Lage des Speisepunktes entscheidet über Polarisation:

• Flache Abstrahlung nur bei vertikaler Polarisation• Dann etwa 25° Erhebungswinkel [1]• Wegen DX-Tauglichkeit nur diese hier betrachtet!

Bekannte Konzepte


1-Element-Delta-Loop für 3520 kHz (DL1BU, 1979) [2]

Eigenschaften:• Speisepunktimpedanz 90..110

=> 75 -/4-Leitung zur Anpassung

• Große Bandbreite mit geringem SWR• Nahezu Rundstrahler• Im DX-Vergleich (JA, VK, W6) gleichwertig einer Vertikalantenne mit

„erstklassigem“ Erdnetz

Bild entnommen aus: CQ DL 4/79, S.154

Bekannte Konzepte


2-Element-Delta-Loop für 3,5 MHz (DL6WD, 1983) [3]

Eigenschaften:• Speisung beider Schleifen mit Leistungsteiler und 135°-Umwegleitung• Sehr guter Flachstrahler: DX-QSOs mit ZL, LU, KH6 problemlos• Richtdiagramm herzförmig• Vor/Rück-Verhältnis im Mittel 18 dB, Gewinn 5..6 dBd (Schätzung)• Vorteil: „Halbe Welt abschaltbar“

Bild entnommen aus: CQ DL 7/83, S.333

Ziele


• Eigener Entwurf

• 1-Element-Version und 2-Element-Richtantenne

• Speisung vereinfachen

• Richtdiagramm optimieren

• Für 20-m-CW-Band

• Aufbau und Erprobung für CQWW-CW-Contest

Entwurf


• Mit Computer-Programm NEC-2 (Numerical Electromagnetics Code)

• Gut geeignet zur Analyse von (Draht-)Antennen

• Kann reale Erdbodeneigenschaften berücksichtigen

• Für diverse Computer-Plattformen frei verfügbar [4]

• Daten-Eingabe und -Ausgabe über Text-Dateien

Entwurf (1-Element)


Geometrie der 1-Element-Delta-Loop

• Vorgegeben: Höhe ho über Erdboden und Dreieckshöhe h• Aus gewünschter Resonanzfrequenz folgt Umfang U• Aus U folgt Maß x• Speisepunkt im Abstand a von unterer Ecke

Entwurf (1-Element)


Impedanz ZE im Speisepunkt in Abhängigkeit von h (NEC-2):

• Vorgegeben: ho = 2 m, a = 0, Bodenqualität „sehr gut“, Umfang so, dass Resonanz bei 14,05 MHz

• Bei h = 4 m: ZE = 49 • Gewinn und Erhebungswinkel unverändert, aber vereinfachte Speisung!

Entwurf (1-Element)


Abhängigkeit der Antenneneigenschaften von ho (NEC-2):

• Vorgegeben: h = 4 m, a = 0, Bodenqualität „sehr gut“

• Ein größeres ho bewirkt:

Resonanzfrequenz steigt deutlich

Gewinn bleibt praktisch gleich

ZE und Erhebungswinkel nehmen etwas ab (z.B. von 20° bei ho = 2 m auf 17° bei ho = 4 m)

• => Deutliche Erhöhung wäre erforderlich• => ho = 2 m beibehalten

Entwurf (1-Element)


Abhängigkeit der Antenneneigenschaften vom Erdboden (NEC-2):

• Vorgegeben: ho = 2 m, h = 4 m, a = 0, U = 22,831 m

• Für vier typische Erdbodeneigenschaften aus [5] und Salzwasser

• Erhebungswinkel steigt mit schlechterer Bodenqualität nur gering an (vgl. [2])

• Sonderfall Salzwasser: 9°

Bodenqualität Bodentyp Leitfähigkeit/

(S/m)

Relative Dielektrizitätszahl

Resonanzfrequenz/

MHz

ZE

/ g/dBi Erhebungswinkel/

Grad

sehr schlecht Städte, Industriegebiete 0,001 5 14,06 41,0 1,6 26

schlecht felsig, gebirgig 0,002 13 14,05 44,3 2,6 24

durchschnittlich ländlich, Lehmboden 0,005 13 14,05 45,0 3,3 24

sehr gut ländlich, fetter Boden 0,0303 20 14,05 49,1 3,3 20

- Salzwasser 5 81 14,03 53,0 6,8 9

Entwurf (1-Element)


Abhängigkeit der Antenneneigenschaften vom Abstand a (NEC-2):

• DL1BU: a = 3 m für vertikale Polarisation (für 80-m-Band-Antenne [2])• Genaue Analyse des Strahlungsdiagramms mit NEC-2:• Bei Speisung in der Ecke (a = 0) tritt horizontal polarisierte, senkrecht

nach oben gerichtete Strahlungskeule auf, 23 dB gedämpft• Keine Nachteil auf oberen Bändern, aber auf unteren Bändern!

Entwurf (1-Element)


Abhängigkeit der Antenneneigenschaften vom Abstand a (NEC-2):

• Steilstrahlung nimmt ab mit größerem a, minimal für a = 0,7 m

• Optimum unkritisch: a = 0,6…0,8 m liefert > 40 dB Dämpfung

• Impedanz ZE im Speisepunkt und Gewinn ändern sich nur wenig =>

• a = 0,7 m gewählt

Entwurf (1-Element)


Geometrie der optimierten 1-Element-Delta-Loop mit Resonanzfrequenz 14,05 MHz über „sehr gutem“ Erdboden (NEC-2):

ho = 2 m

h = 4 m

a = 0,7 m

U = 22,83 m (= 1,07 )

x = 5,01 m

Entwurf (1-Element)


Vertikales Strahlungsdiagramm der optimierten Antenne (NEC-2):

• Auf 14,05 MHz über „sehr gutem“ Erdboden• Diagramm auf Gewinn von 3,5 dBi normiert• Erhebungswinkel der Hauptkeule 20°• Senkrecht nach oben gerichtete Strahlung mehr als 40 dB gedämpft

Entwurf (1-Element)


Horizontales Strahlungsdiagramm der optimierten Antenne (NEC-2):

• Diagramm auf Gewinn von 3,5 dBi normiert• Diagramm unter Erhebungswinkel der Hauptkeule (20°) • Einschnürungen von etwa 5 dB in der Schleifenebene =>• Antenne ist nahezu Rundstrahler (Übereinstimmung mit [2])

Entwurf (1-Element)


SWR-Verlauf der optimierten Antenne (NEC-2):

• Große Bandbreite mit guter Anpassung (Übereinstimmung mit [2])• SWR < 1,5 weit über CW-Bereich• SWR-2-Bandbreite 340 kHz• In Bandmitte abgestimmte Antenne würde gesamtes Band abdecken!

Entwurf (2-Element)



Entwurfsziele:• Richtwirkung gegenüber 1-Element-Version• Vereinfachung der Speisung (ohne Leistungsteiler und Umwegleitung)

Ergebnisse von NEC-2-Vorversuchen:• Für parasitär erregten Reflektor mit U2 > U1 : keine Kombination

von U1 , U2 , d mit Gewinn und Rückdämpfung gefunden!• Ebenso für parasitär erregten Direktor mit U2 < U1 (Bestätigung von [3])

Entwurf (2-Element)



Neuer Ansatz:• Gleiche Umfänge beider Schleifen: U2 = U1

Ergebnisse der NEC-2-Rechnungen:• Parasitär erregte Schleife wirkt als Reflektor• 2-Element-Delta-Loop hat ausgeprägte Rückdämpfung• Optimierung von U2 und d auf maximale Rückdämpfung aR

Entwurf (2-Element)


Ergebnisse der NEC-2-Optimierungen mit ho = 2 m, h = 4 m, a = 0,7 müber „sehr gutem“ Erdboden auf 14,04 MHz:•Maximale Rückdämpfung unter 20° bei U2 = 22,91 m und d = 4,2 m•Horizontaldiagramm herzförmig mit ausgeprägtem Minimum•Schleifenabstand d unkritisch (3,8…4,4 m)•aR reagiert bei fester Frequenz empfindlich auf Änderungen von U2•=> Bandbreite mit guter Rückdämpfung gering (80 kHz für aR > 20 dB)•=> Schmalbandige Antenne, aber 20-m-CW-Bereich abgedeckt•ZE = 73 + j 47

=> SWR = 2,3 (Ursache: Reflektor)

Entwurf (2-Element)


Vertikales Strahlungsdiagramm der optimierten Antenne (NEC-2):

• Auf 14,04 MHz über „sehr gutem“ Erdboden• Diagramm auf Gewinn von 6,9 dBi normiert• Erhebungswinkel der Hauptkeule 20°

Entwurf (2-Element)


Horizontales Strahlungsdiagramm der optimierten Antenne (NEC-2):

• Diagramm auf Gewinn von 6,9 dBi normiert• Diagramm unter Erhebungswinkel der Hauptkeule (20°)• Rückdämpfung > 40 dB• Einschnürungen von etwa 10 dB in der Schleifenebene (Nord-Süd)

Aufbau


• Antennen jeweils für ein CQWW-CW- Wochenende aufgebaut

• 6-m-Holzmast trägt die Schleifen• Querträger in 6 m und 2 m Höhe halten

Dreiecksspitzen bzw. Mitte der Basen (2-Element-Version)

• Konstruktion aus 4-m-Holzlatten• Isolierung der Dreiecksspitze beachten!• Auf Baluns verzichtet [2]• Ausrichtung der Schleifen Nord-Süd:

Von dort die wenigsten DX-Multiplikatoren erwartet

Mit Hauptstrahlrichtungen Ost und West DX-Gebiete mit den

meisten Teilnehmern abgedeckt

2-Element-Delta-Loop, Blick nach Norden

Aufbau


Richtungsumschaltung:

• Prinzip: Speisung Schleife 1 und

Kurzschluss Schleife 2

(bzw. umgekehrt)

• Lösung: zentrale Umschaltbox mit

zwei /2-Leitungen zu Schleifen

• /2-Leitung transformiert 1:1

• /2-Leitungen: 6,96 m RG58

• Anpassschaltung in Umschaltbox

möglich (z.B. L-Glied [1])

• Oder Anpassung am TRX-

Ausgang (extern oder eingebaut)

Aufbau


Richtungsumschaltung:

Umschaltbox und L-Glied

Der wichtigste Schalter im ganzen Contest: Umschaltung

der Strahlrichtung Ost und West

Aufbau


SWR-Abgleich der 1-Element-Delta-Loop

• Für Abgleich Umfang mit 22,9 m bemessen (NEC-2: 22,83 m)• Erst Kürzen um 90 cm brachte SWR-Minimum in CW-Bereich!• Während Contest: Anheben Mitte der Dreiecksbasis auf 2 m• Resonanzfrequenz 150 kHz höher • Hauptgrund für Abweichung:

Isolierung der Antennenlitze verlängert Leiter elektrisch

• NEC-2-Neuberechnung mit Rechenvorschrift aus [6] gibt gute Übereinstimmung zu Messung

Aufbau


Abgleich auf maximale Rückdämpfung der 2-Element-Delta-Loop

• Abgleich notwendig, da Optimum schmalbandig

• Übliches Vorgehen: Messwert an einer Feldstärkesonde in

Rückwärtsrichtung auf Minimum abgleichen [1], [5]

• Hier problematisch: Fernfelddiagramm bildet sich erst ab etwa 100 m

Abstand zur Antenne aus (NEC-2-Rechnung)

• Feldstärkemessung in 100 m Abstand unter 20° Erhebungswinkel?

Aufbau


Abgleich auf maximale Rückdämpfung, Lösung:

• Basiert auf NEC-2-Berechnung

• Maximale Rückdämpfung bei 14,04 MHz für U2 = 22,91 m

• Resonanzfrequenz einer Einzelschleife mit diesem Umfang ist 14,0 MHz,

wenn die andere Schleife offen =>

Abgleichvorschrift (ohne Anpassschaltung):

• Abgleich Schleife 1 auf minimales SWR bei 14,0 MHz, Schleife 2 offen

• Abgleich Schleife 2 auf minimales SWR bei 14,0 MHz, Schleife 1 offen

Betriebserfahrungen


wisch

• 1-Element-Delta-Loop:

Sehr gute Anpassung an 50

(mit angehobener Dreiecksbasis)

Im Horizontaldiagramm keine besonderen Einschnürungen in

den Richtungen der Schleifenebene bemerkt („Rundstrahler“)

• 2-Element-Delta-Loop:

SWR < 1,5 im gesamten 20-m-Band mit einmalig abgestimmtem

L-Glied

Schnelle Umschaltung der Strahlrichtung: Vorteil beim DX-Betrieb

und Beobachtung interessanter Ausbreitungseffekte …

Betriebserfahrungen


wisch

Ausbreitungseffekte im CQWW-CW-Contest 2010: Pfad nach LU und JA

• Durch schnelles Umschalten der Strahlrichtung belegt• Unterschied von 2..3 S-Stufen zwischen kurzem und langem Weg!

Samstagmorgen Sonntagmorgen

Betriebserfahrungen


wisch

Vor-Rück-Verhältnis, ermittelt an 200 Stationen im CQWW-CW-Contest

• Unterschied von 2..4 S-Stufen in Hauptstrahlrichtungen Ost und West• Mittelwert von knapp 3 S-Stufen (gute Übereinstimmung mit [3])

5H3EE, Beamrichtung 145°: aus Strahlrichtung West 2 S-Stufen schwächer als aus Strahlrichtung Ost

Entwurf für andere Bänder


• Dimensionierung 2-Element-Delta-Loop für andere Bänder möglich,

wenn alle Abmessungen und Bodeneigenschaften skaliert werden

• Aber praxisfern, z.B. für 80-m-Band-Antenne: 8 m über Erdboden und

Antennendraht vier mal so dick wie bei 20-m-Band-Antenne!

• => Für jedes KW-Band eigene Optimierung erforderlich

Entwurf für andere Bänder


• Ergebnisse der Optimierungen (NEC-2) auf maximale Rückdämpfung über „sehr gutem“ Erdboden für alle KW-Bänder

Band Entwursfreq./MHz h0

/m h/m a/m U2

/m d/mSWR-

Min/MHz Gewinn/dBi Rückdämpfung/dB

160 m 1,82 4 31,0 5,60 171,530 30,0 1,815 9,0 34,0

80 m 3,51 4 16,0 2,80 89,980 13,0 3,505 8,2 40,8

40 m 7,02 4 8,0 1,40 45,546 8,2 7,000 7,6 45,830 m 10,12 3 5,5 1,00 31,698 5,8 10,095 7,2 42,0

20 m 14,04 2 4,0 0,70 22,910 4,2 14,000 6,9 45,8

17 m 18,12 2 3,1 0,60 17,825 3,5 18,060 6,7 47,3

15 m 21,05 2 2,7 0,50 15,382 3,2 20,975 6,5 45,9

12 m 24,94 2 2,3 0,37 13,010 2,8 24,845 6,3 42,810 m 28,05 2 2,0 0,35 11,585 2,6 27,950 6,3 40,9

• Angaben sind reine Rechenergebnisse, bis auf 20-m-Band nicht erprobt!• Geeignet als Ausgangspunkt für Nachbauten, besonders Abstand d• Neue Auslegung mit gleichen Schleifen funktioniert auf allen Bändern!• Skalierung innerhalb eines KW-Bandes möglich, z.B. von 14,04 MHz

auf 14,20 MHz: h0 , h, a und d beibehalten, Umfang U2 mit dem Faktor 14,04 / 14,20 = 0,98873 multiplizieren

Zusammenfassung


• 1-Element- und 2-Element-Delta-Loop entworfen und optimiert

• Beide Antennen für 20-m-CW-Band aufgebaut und in

CQWW-CW-Contests erprobt

• Messergebnisse und Betriebserfahrungen bestätigen Entwurfsergebnisse

• Vereinfache Speisung und optimiertes Richtdiagramm

• Geringer Materialaufwand

• Von einer Person leicht zu errichten

• Vollwertiger DX-Richtstrahler als reine CW- oder SSB-Ausführung

Literatur


[1] Alois Krischke, DJ0TR: „Rothammels Antennenbuch“, 12. Auflage, DARC-Verlag GmbH, Baunatal 2002

[2] Günter Schwarzbeck, DL1BU: „Streifzug durch den Antennenwald, DX-Antennen für 80 m und 160 m“, CQ DL 4/79, S. 150-155

[3] Rudolf Fischer, DL6WD: „Das Monster, eine 2-Element-Delta-Loop für 3,5 MHz“, CQ DL 7/83, S. 331-335

[4] Homepage „The unofficial Numerical Electromagetic Code (NEC) Archives“: http://www.si-list.net/swindex.html

[5] American Radio Relay League: „The ARRL Antenna Book“, 15th Edition, Newington, CT, 1988

[6] J.Moore, M.A.West: „Simplified analysis of coated wire antennas and scatterers“, IEE Proc.-Microw. Antennas Propag., Vol. 142, No.1, February 1995, S. 14-18

http://www.si-list.net/swindex.html


…viel Erfolg beim Nachbau!

Date post:	05-Dec-2020
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